老熊科普:为什么亿级像素方向错了

2020-01-14 16:36:39 0点赞 1收藏 1评论

关于“一亿像素方向错了”的问题,这几天讨论得非常火热。

手机摄影是一个系统工程,需要芯片、算法、光学设计等等很多方面共同配合,才能达到较为理想的状态。

今天我们先把芯片、光学设计、算法等内容放一边,单单聊一聊手机图像传感器:一亿像素0.8μm传感器对于旗舰手机而言,到底有哪些先天不足的地方?

我们知道,使用手机拍照时,光线经过镜头和光圈后,会照射在图像传感器上。图像传感器遍布着一个个像素点,它们会将光子转换为电信号。

像素点越多,或者说,像素越高,图像的分辨率就越高,对提高图像质量具有一定作用。


老熊科普:为什么亿级像素方向错了

低像素 VS 高像素



但是,手机摄影是一个系统性的工程,是一个木桶。像素这块木板高了,其他方面没有跟上,除了赢得一句噱头外,实际上并不能提高木桶的容量。


像素数和单像素尺寸是平衡的艺术

一般来说,图像传感器的有效感光区域尺寸=像素数*单像素尺寸。

手机毕竟本身尺寸有限,内部元器件众多,因此,手机的图像传感器大小不太可能短时间内大幅提升。在图像传感器的有效感光区域尺寸受限的前提下,像素数和单像素尺寸就成了矛盾体,一旦选择追求高像素数,就必须缩小单像素尺寸。可以说,这两者之间的关系,是平衡的艺术。

当前业界的一亿像素传感器,尽管本身的物理尺寸已经很大,但由于追求一个极端像素数,而不得不选择了一个对于旗舰手机而言,相对较小的单像素尺寸——0.8μm。诚然,这枚传感器可以像素四合一,从而获得更大的单像素尺寸,但是在这种情况下,像素数也会下降,实际上已经不是一亿像素。可以说,超高像素和超大像素尺寸,这两者在当前的手机图像传感器上还不能兼得。

0.8μm是业界常见的单像素尺寸,过去在手机拍照上也有非常不错的表现。但近年来,旗舰手机有更多的追求,不约而同地开始采用更大的像素尺寸。比如华为Mate 30系列和荣耀V30系列,其单像素尺寸为1μm;iPhone 11 Pro Max的单像素尺寸为1.4μm。

为什么旗舰机选择更大的单像素尺寸,而不选择0.8μm呢?很简单,因为单像素尺寸的大小,会直接影响图像的质量。


超高像素的代价:信噪比低

信噪比SNR(Signal to noise ratio),简单来说,是有用的图像信号和无用的噪声信号两者的比值。信噪比越高,成像质量越好;相反,噪点越多,画面就越不纯净。

显而易见,在拍照时,我们一定会追求更高的信噪比,而信噪比和单像素尺寸有着十分密切的关系。

一般而言,单像素尺寸越大,在相同的光照强度下,单个像素接受的光子就会越多,产生的电信号越多,信噪比就越高。反之,单像素尺寸越小,图片噪点越多,信噪比就越低。这一点,在光照不足的拍摄环境下体现得尤其明显。


老熊科普:为什么亿级像素方向错了



超高像素的代价:宽容度低

宽容度,也叫图像的动态范围,决定了图像最亮部分和最暗部分两者之间的差距。单帧图像的宽容度和单个像素的“满井容量大小”(Full-Well Capacity,FWC)有关。所谓的FWC,是指单个像素的光电二极管最多能够存储的、经由光电效应转化的电子数量的多少。

FWC是由单个像素的光电二极管面积大小决定的,像素越大,FWC就越大,图像的动态范围也越大。反之亦然。


老熊科普:为什么亿级像素方向错了



毫无疑问,大像素尺寸能够提高图像的信噪比和宽容度,对提升图像的成像质量有很大帮助。近几年的旗舰手机大多追求1μm以上的像素尺寸,原因正在于此。

反观一亿像素0.8μm传感器,在暗光和逆光场景下,图像的暗部噪点往往比较大,图像放大后,细节相对模糊,这都是单像素尺寸较小的副作用。这些问题,对于旗舰手机拍照而言,应该是尽可能去规避的。


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